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Tintenstrahldruck auf Nanoskala
Es wurde ein neuartiger Tintenstrahldrucker entwickelt, der Punkte aus verschiedenen Materialien mit einem Durchmesser von nur 250 Nanometern präzise drucken kann. Der Tintenstrahldrucker könnte es ermöglichen, schnell komplexe nanoskalige Strukturen aus verschiedenen Materialien zu synthetisieren.
Nanodruck: Dieses Bild zeigt ein Bild einer Blume, das mit einem neuartigen elektrohydrodynamischen Tintenstrahldrucker gedruckt wurde. Jeder Punkt hat einen Durchmesser von nur acht Mikrometern und besteht aus einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Das Ziel ist die Fertigung, sagt John Rogers , Professor für Ingenieurwissenschaften an der University of Illinois, Urbana Champaign. Die neuen Drucker können eine breite Palette von Materialien zur Herstellung neuartiger Geräte verwenden, von Kunststoffelektronik und flexiblen Displays bis hin zu Photovoltaikzellen und neuen biomedizinischen Sensoren, sagt Rogers.
Die Forscher haben gezeigt, dass die neuen Tintenstrahldrucker sehr präzise Muster aus elektrisch leitenden Polymeren und Kohlenstoff-Nanoröhrchen drucken können; Sie haben auch gezeigt, dass DNA gedruckt werden kann, ohne sie zu beschädigen. Dies ist mit traditionellen Siliziumherstellungstechniken schwierig, sagt Rogers.
Oft sind die Nanomaterialien, die für die Herstellung von ultrakleinen biomedizinischen Geräten und nanoskaliger polymerbasierter Elektronik benötigt werden, in Lösung, was bedeutet, dass sie sich nicht für traditionelle Mikrofabrikationsverfahren eignen. Aus diesem Grund ist der Druck sowohl hinsichtlich der Kosten als auch der Komplexität eine attraktive Alternative, sagt Heiko Wolf von IBM Zürich Research Labs “ Nanoscale Structures and Devices Group, in der Schweiz.
Aber die Strukturierung von Strukturen auf der Nanoskala hat sich bisher als Herausforderung erwiesen. Herkömmliche Tintenstrahldrucker seien auf Auflösungen von etwa 25 Mikrometer beschränkt, sagt Rogers.
Herkömmliche Tintenstrahldrucker arbeiten, indem sie Tinte aus einer Düse drücken, um Tröpfchen zu bilden, entweder durch Erhitzen der Tinte oder Anwenden von physischem Druck, um sie herauszudrücken. Während dies im Mikrometerbereich gut funktioniert, werden Probleme der Oberflächenspannung und des Flüssigkeitsflusses zu einer Barriere, wenn Forscher versuchen, kleiner zu werden. Je kleiner die Düsengröße, desto schwieriger ist es, Flüssigkeit durch sie zu fließen, sagt Rogers. Der Kraftaufwand, den Sie aufbringen müssen, steigt also überproportional.
Um dies zu überwinden, verwenden Rogers und seine Kollegen einen anderen Ansatz, den sogenannten elektrohydrodynamischen Tintenstrahldruck (oder E-Jet-Druck). Wir ziehen die Flüssigkeiten, anstatt sie zu drücken, sagt er.
Dies beinhaltet die Verwendung elektrischer Felder, um die Tröpfchen zu erzeugen, und beruht darauf, dass sich eine bestimmte Menge elektrisch geladener Partikel oder Ionen in der Flüssigkeit befindet. Kapillarkräfte ziehen die Flüssigkeit aus ihrem Reservoir, um einen halbkugelförmigen Tropfen zu bilden, der von seinem Rand hängt, wie ein Wassertropfen an einem Wasserhahn.
Durch die Verwendung von Elektroden, um ein elektrisches Feld zwischen der Düsenspitze und dem Substrat, auf dem das Material gedruckt werden soll, zu erzeugen, ist es möglich, das Tröpfchen konisch zu machen, sagt Rogers. Ionen sammeln sich an der Oberfläche der Flüssigkeit, an der Spitze des Kegels, sagt er. Diese Konzentration von Ionen ermöglicht es, dass die Spitze des Kegels abbricht und ein Tröpfchen bildet, das nur einen Bruchteil des Volumens des Kegels ausmacht.
Sie können Tröpfchen erzeugen, die kleiner sind als der Düsendurchmesser, sagt Rogers. Sie kneifen wirklich nur Tröpfchen ab. Erst an der Spitze des Kegels bilden sich die Tröpfchen.
Mit diesem Ansatz haben Rogers und seine Kollegen gezeigt, dass sie Linien eines Materials mit einer Breite von 700 Nanometern oder einzelne Punkte mit einem Durchmesser von nur 250 Nanometern drucken können.
Neben der Größe der Tröpfchen wird auch die räumliche Genauigkeit verbessert, sagt Rogers. Er und sein Team entdeckten ganz zufällig, dass das Feld, mit dem das Tröpfchen erzeugt wurde, auch dazu beiträgt, das geladene Tröpfchen zum Zielsubstrat zu lenken. Das war eine Art Bonus, sagt Rogers.
Elektrohydrodynamische Drucker wurden in der Vergangenheit verwendet, sagt Howard Taub , stellvertretender Direktor von HP Labs in Palo Alto, CA. Neu sei hier die hohe Auflösung, sagt er.
Aber was diese neuen E-Jets an Auflösung ausgleichen, sagt Taub, fehlt ihnen an Geschwindigkeit. Die zum Erzeugen der Felder erforderlichen hohen Spannungen können schwierig zu pulsieren sein, um schnell zu drucken. Normale Drucker können Tröpfchen in der Größenordnung von 10.000 bis 100.000 Mal pro Sekunde ausstoßen. Die E-Jets von Rogers hingegen arbeiten rund 1.000 Mal pro Sekunde.
Eine Lösung besteht darin, Arrays von Tintenstrahlköpfen zu verwenden, sagt Taub. Dies kann aber zu weiteren Problemen führen, sagt er: Die Tröpfchen werden miteinander interagieren, weil sie aufgeladen sind. Sie müssen sie also auf Abstand halten.
Rogers sagt, dass seine Gruppe an der Geschwindigkeitsfrage arbeitet. Er und seine Kollegen haben bereits gezeigt, dass Düsen bis auf 250 Mikrometer genau platziert werden können, ohne dass Tröpfchen interagieren. Sie arbeiten jetzt mit mehreren Herstellern zusammen, um die Technologie zu kommerzialisieren.